污水厂含臭气体排放塔结构参数CFD 优化

张明亮 周文和 王佳 沈浩 史成波 滕峰

（1 兰州交通大学环境与市政工程学院 甘肃兰州 730070 2 中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北武汉 430010）

0 引言

随着社会的发展及人民生活水平的改善，污水处理厂逐渐增加，其产物含臭气体通常经排放塔高空排出，利用扩散稀释及大气的自洁能力将地面浓度控制在可接受的范围内，其效果取决于含臭气体初始浓度、排放塔结构及当地气象条件。因此，结合当地气象条件，合理设计排放塔高度等结构及排放参数，对保障周边环境的生活质量及居民健康具有深远的现实意义。

浮杰［1］就烟气烟羽抬升高度和传统排烟方式进行对比，并分析了“烟塔合一”技术对塔内流场的影响。卢权等［2］利用数值方法，对某电厂锅炉尾部烟道流场进行了模拟分析，并对原方案进行了优化改造。邓斌等［3］通过分析烟羽形成及消散原理，借助CFD 技术分析了影响烟气与大气混合的因素。陈逸鹏等［4］以在大气中扩散的混合气流为研究对象，通过CFD 对不同工况下的烟羽扩散进行模拟分析，并通过模拟与实测数据对比，验证了模拟结果的合理性。

可以看出，借助CFD 技术完成烟囱等构件结构参数的验证和优化方面不乏应用案例及成果，但在污水厂生物臭气排放扩散分析方面的应用亟待弥补。基于质量守恒方程、动量方程以及RNG k-ε 模型方程等CFD 技术，本文以陈江街道办二号地下污水处理厂生物臭气排放塔为例，运用Fluent 等软件，对含臭气体排放塔结构参数与排放塔周围环境臭气浓度的影响关系进行分析，以期验证和优化本文含臭气体烟羽扩散合理的排放塔结构参数初设方案，为不同工况相同问题的解决提供借鉴。

1 工程背景

陈江街道办二号地下污水处理厂位于广东省惠州市仲恺高新技术产业开发区，是惠州市首座全地埋式生态型污水处理厂，日处理规模为10 万m3/d。污水处理过程中产生、散发的含臭气体经排风口收集、风管汇集，再经生物除臭装置处理后从排放塔排出，其除臭、排放工艺流程如图1 所示。排放塔初设方案及相关参数具体取值如表1 所示。

图1 生物除臭工艺流程

表1 项目初设方案

2 数值模型

为了数值验证和优化本文地下污水厂含臭气体排放塔初设方案，相关CFD 模拟技术的物理模型，数值模型、方法及边界条件简述如下。

2.1 三维建模及网格划分

为保证计算域内排放塔排出臭气的流动扩散能够充分发展，本文沿环境空气风向选取计算域尺寸为135 m×45 m×90 m，借助Gambit 软件建立全尺寸三维物理模型，采用非结构化网格对区域进行离散，并对臭气排放塔排气口区域网格进行了局部加密以提升模拟结果的精确度，物理模型如图2 所示。

图2 物理模型

为了获得网格数量与计算结果间的关系，确定合理的网格数量，本文区域离散分别采用不同数量的多套网格，并相应计算了区域内臭气扩散的速度场，4 套网格系统在塔口纵向中心面（x=0 平面）均匀分布的10 个风速测点的风速见图3。通过对比分析可知：在网格数量为60 W 和100 W 时，测点速度波动较大，而在网格数量150 W 和200 W 条件下，测点速度误差在允许范围内，表明已满足网格数量与计算结果的独立性；鉴于模拟时间等多方面因素考虑，最终选取数量为150 W 的网格系统进行后续模拟分析。

图3 网格独立性验证

2.2 数值模型、方法及边界条件

数值模型包括连续性方程、动量方程以及RNG k-ε 模型方程，具体边界参数设置如表2 所示。

表2 边界类型设置

3 结果及分析

本文依据设计单位给定的参数和除臭工艺调控要求，通过改变环境参数、臭气排放塔高度和排放参数，设置以表3 所示8 种不同工况，并基于此得到污水厂含臭气体排放塔结构及其臭气扩散关系。

表3 工况参数设置

3.1 温度的影响

为了得到不同环境温度及臭气温度的影响作用，本文分别对工况1、工况2 和工况4 条件下含臭气体排放塔排放及扩散情况进行了数值计算和分析，选取臭气中组分含量较大的NH3扩散情况进行计算，结果如图4 所示。从图4（a）和（b）可以看出，环境温度对臭气扩散影响较小，在臭气温度同为40 ℃时，工况1、工况2 下臭气抬升高度和扩散距离分别为30 m 和48 m 左右。而含臭气体排放温度对臭气扩散影响较大，环境温度均为22 ℃时，工况4 条件下虽臭气抬升高度较工况1 相差不大，但其最大扩散距离超过100 m，较工况1 远。该现象是由于环境温度与臭气排放温度温差较小，因此排出的臭气通过热湿交换达到大气状态的时间将会增加，相应扩散范围也就越远，将不利于臭气的扩散。在本文排放塔臭气入口浓度及大气和臭气排放温度条件下，NH3地面浓度均满足设计最初规划“1 m～500 m 范围内对高度为0 m～2 m 内的行人无影响，对370 m～500 m 范围内的文化设施建筑物无影响”，且落地最大污染物含量满足规范［5］要求。

图4 温度的影响关系

3.2 气流速度的影响

为了得到不同环境速度及臭气速度的影响，本文对工况1、工况3 和工况5 条件下含臭气体排放塔排放及扩散情况进行了数值计算和分析，结果如图5 所示。可以看出，环境大气风向和流速对臭气扩散影响很大，大气流速增大将明显降低臭气抬升高度，但臭气的扩散范围也相应增大。在臭气排放速度同为10 m/s 时，工况1 下臭气抬升高度为30 m，工况3 臭气抬升高度为15 m，扩散距离超过100 m。同样，臭气排放速度对臭气扩散影响也很大，在环境速度同为3 m/s 时，工况5条件下，通过增加臭气排放速度至15 m/s，臭气抬升高度相应增大到40 m，臭气落在地面的浓度将更小，更有利于臭气的扩散。本文排放塔臭气入口浓度及大气和臭气排放速度条件下，NH3地面浓度均满足设计最初规划“1 m～500 m 范围内对高度为0 m～2 m 内的行人无影响，对370 m～500 m 范围内的文化设施建筑物无影响”，且落地最大污染物含量满足规范［5］要求。

图5 速度的影响关系

3.3 塔高的影响

为了得到排放塔高度，本文分别对工况6、工况7 和工况8 条件下含臭气体排放塔排放及扩散情况进行了数值计算和分析，结果如图6 所示。结合图5（c）可以看出，经过生物除臭工艺排放出的臭气，在设置一定高度排放塔有组织排放时，即塔高分别为15 m、10 m、5 m 条件下，臭气抬升高度均为40 m左右，且相应臭气扩散距离在40 m～50 m 范围内，均满足设计最初规划 “1 m～500 m 范围内对高度为0 m～2 m 内的行人无影响，对370 m～500 m 范围内的文化设施建筑物无影响”，且落地最大污染物含量满足规范［5］要求。当塔高为0 m，即臭气无组织排放条件时，臭气扩散将会对“1 m～500 m 范围内高度为0 m～2 m 内”的行人产生影响见图6（c）。综合对建筑成本等多方面的考虑，本文选取排放塔高度为5 m 的结构参数作为最优方案。

图6 塔高的影响关系

4 结论

随着城镇化的推进，地下污水处理厂不断增加，其含臭气体产物的处理和排放效果至关重要。本文通过对陈江街道办二号地下污水处理厂不同工况含臭气体排放塔排放方案及效果进行数值计算和分析，得出以下结论。

（1）臭气排放温度和速度、环境大气流速对臭气扩散影响相对较大。在满足排放要求基础上，本文工况条件下建议排放塔高度为5 m。

（2）借助CFD 技术对污水处理厂含臭气体排放塔结构设计进行验证和优化有效可行。